[发明专利]一种空心纤维造孔剂及其在燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及一种用于空心纤维造孔剂及其在燃料电池中的应用，所述造孔剂为PAN‑PVP同轴空心纤维，其制备方法为将聚丙烯腈、聚乙烯吡络烷酮制备为PAN‑PVP混合溶液，然后在同轴高压静电纺丝机上操作，内针孔放置甲基硅油，外针孔放置PAN‑PVP混合溶液，转动滚筒收集器收集PAN‑PVP同轴空心纤维。本发明的PAN‑PVP空心纤维，在燃料电池阳极烧制去除纤维后，可形成三维网状交联空洞，有助于改善阳极在孔内部的连接，增大电解质内部比表面积，整体降低电池的活化极化，增大电化学反应区域，降低电池内阻，加速物质扩散，从而最终提升电池的输出性能，减缓比容量的衰减。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及一种用于空心纤维造孔剂及其在燃料电池中的应用。

技术背景

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。目前日本德国等国家已经提出利用金属空气电池氧化还原反应产生的氢气作为燃料，连接燃料电池的电极从而产生放电反应的技术，我国也有大量的研究，但是都存在实际效能转化率低的问题。理论上,它的发电效率可达到85％～90％,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40％～60％，其潜能还有很大的开拓空间。

燃料电池的阳极即燃料电极一般为支撑结构，有较大的厚度，然而较厚的燃料电极给气体在燃料电极内部的扩散带来困难，同时在电极的深层发生电化学反应中，由于燃料电极微结构及其与固态电解质微界面的关系，如果反应产物，即水蒸汽不易顺利地通过扩散离开电极区域，从而降低电极的浓差极化，就会造成电池系统容量大幅度衰减，倍率性能不佳，而且水蒸气会降低工作界面的温度，使得电化学反应速率减慢，造成电池活化极化的增大。因此燃料电池发展的瓶颈就在于改善燃料电极的微结构，及其与固态电解质的微界面关系。此外，燃料电池未来发展趋势，势必是较低温运行，降低工作温度使得电化学反应及物质扩散速率减慢，将造成电池活化极化的增大，极化现象的产生，会造成比容量的迅速衰减，同时功率性能下降，因此，深入改善燃料电极微结构，提高低温条件下水蒸气扩散的速率是低温燃料电池需要攻克的关键技术。

为了改善燃料电极微结构，传统技术是在制备金属陶瓷阳极支撑体的过程中需要加入造孔剂，通常这些造孔剂在高温处理的过程中会被烧掉，从而在阳极内形成较大的孔隙，使反应气体能快速进入内层阳极参加电化学反应，同时也使产物气体能快速排出阳极，造孔剂的形状决定了阳极中孔洞的形貌。通常在阳极中添加的造孔剂有面粉、淀粉、木薯粉等有机物造孔剂和石墨、碳黑等碳单质造孔剂等，或者组合运用这些造孔剂，它们在阳极中留下了球形或其他不规则形状的孔洞，如果使用少量的传统造孔剂，它们在阳极中将会形成大量孤立的孔洞，这样是不利于气体扩散的，因为电极中连通的孔是必要的，连通的孔能使反应物扩散至活性反应区域并且使反应产物扩散出活性反应区域。通常要使传统造孔剂形成的孔洞能够形成连通的气体输运通道，就需要使用大量造孔剂，然而大量造孔剂的使用将会破坏阳极的机械强度，因此我们考虑使用纤维造孔剂。纤维造孔剂基于其形貌在长度上的优势，经过高温锻烧后在阳极中形成细长的孔，这些细长的孔容易形成连通的气体通道使反应气体能快速进入内层阳极参加电化学反应，同时也使产物气体能快速排出阳极。制备纤维造孔剂的常用方法有化学气相沉积法(CVD)、固相合成法及静电纺丝法。哈尔滨工业大学的潘伟平博士论文《阳极孔与界面微结构对SOFC的电极极化与性能影响研究》中采用静电纺丝技术，并且在纤维收集过程中引入含NiO的阳极初始粉，获得了较为理想的燃料电池阳极微结构，与现有的燃料电池阳极相比有了显著的进步，但对燃料电池阳极的潜力来说，依然有较大的挖掘空间。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出一种空心纤维造孔剂及其在燃料电池上的应用。